高速铣床电主轴系统的特性与分析

吴隆

（中原工学院机械系）

　　摘　要：介绍了高速铣床电主轴系统的结构和特性，并对它们的特性及存在问题进行了分析。

　　关键词：高速铣床；高速电主轴；结构；特性

　　高速铣削加工的主轴系统是高速铣床的核心部件，高转速下主轴的刚度、动态特性、轴承及冷却系统都对高速主轴的使用性能有重要影响，在高速铣削加工的研究方面，德国的达姆斯塔特工业大学机床研究所始终走在前沿。作者有幸赴该所进修学习，现将该所开发的高速铣削电主轴系统的结构和特性作一介绍和分析，以飨读者。

　　1　高速铣床电主轴系统的结构

　　高速铣床上的主轴系统多采用高速电主轴。高速电主轴是由内装交流变频伺服电机直接驱动，机床主轴转速高，功率大，结构简单，在高转速下可保持良好的动平衡。由达姆斯塔特工业大学机床所研制的高速铣床电主轴的结构示意见图1。下面对高速电主轴滚动轴承及定子、转子的结构和特性进行分析。

　　（1）滚动轴承　滚动轴承具有刚度高、高速性能好、结构简单紧凑、标准化程度高、便于维修更换、价格适中和便于选择等优点，因而在电主轴中得到Z广泛的应用。电主轴一般采用适应高速且可同时承受径向和轴向负荷的高精度角接触球轴承。角接触球轴承的配置形式和预加载荷决定了电主轴系统的承载能力及其精度与刚度，并对其使用寿命有很大的影响。

　　根据切削负荷大小、形式和转速等，电主轴轴承一般采用如图2所示的配置形式。角接触球轴承一般必须在轴向预加载荷条件下才能正常工作。预加载荷不仅可消除轴承的轴向游隙，还可以提高轴承刚度和主轴的旋转精度，抑制振动和钢球自转时的打滑现象等。一般来说，预加载荷越大，提高刚度和旋转精度的效果越好。但是预加载荷越大，温升就越高，可能造成烧伤，从而降低使用寿命，甚至不能正常工作。

　　同样，轴承在高速运转下，滚珠也将产生巨大的陀螺力矩，造成对电主轴不可忽视的额外载荷，并可能产生滚珠与滚道之间的相对滑移。这个巨大的离心力和陀螺力矩，会对轴承产生很大的接触应力，加剧轴承的温升与磨损，降低轴承的使用寿命。

　　目前应用Z多的高速主轴轴承是混合陶瓷球轴承，即滚珠使用热压Si₃N₄陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈。附表是Si₃N₄陶瓷与轴承钢的性能对比，通过两种材料性能的比较，可以得出Si₃N₄陶瓷球具有质量小、弹性模量高、线膨胀系数低、硬度高而且不与金属产生咬合现象。因此，混合陶瓷球轴承特别适合高速运行场合，它的（n×d）值已超过2.6×10⁶。用其组装的高速电主轴，能兼得高速、高刚度、大功率、长寿命等优点。

　　（2）定子与转子　高速电主轴的定子由具有高导磁率的优质矽钢片迭压而成，定子内腔带有冲制嵌线槽。转子的功能是将定子的电磁场能量转换成机械能，它由转子铁芯、鼠笼、转轴3部分组成。转轴是高速电主轴的主要回转主体，它的制造精度直接影响电主轴的Z终精度，成品转轴的形位公差和尺寸精度要求都很高。转轴高速运转时，由偏心质量引起振动，严重影响其性能，必须对转轴进行严格动平衡测试。

　　2　高速电主轴的润滑和冷却系统

　　（1）润滑高速电主轴的润滑主要指主轴轴承的润滑，一般以脂润滑、少油润滑和油雾润滑#种方式为主。脂润滑在（n×d）值较低的电主轴中是较常见的润滑方式，脂润滑型高速电主轴结构简单，使用方便，无污染，通用性强，但主轴温升较高，工作寿命较短。

　　油雾润滑具有润滑和冷却双重作用，它以压缩空气为动力，通过油雾器将油液雾化并混入空气流中，然后输送到需要润滑的地方。当电主轴高速旋转时，油雾可在轴承沟道内形成流体动力润滑油膜，有利于高速电主轴稳定工作。油雾润滑所需设备简单，维修方便，是广泛使用的一种高速电主轴润滑方式。

　　少油润滑是新型润滑方式，虽然所需设备复杂，成本高，但这些润滑方式能对每个轴承分别进行精确润滑，润滑油利用率极高，轴承发热量小，无环境污染，必将为高速电主轴未来发展开辟新的途径[3]。

　　（2）冷却　高速电主轴在将电能转化为机械能的同时，也有一部分转化为热能，必须加以控制，否则电主轴将因温升过高而使主轴的机械效率下降、主轴精度丧失，主轴轴承也将受到损坏。电主轴的热量大部分产生于通电后的定子，可设计一个通入冷却液的套筒，其内装定子绕组，用循环冷却液体吸收和带走热量，保持电主轴单元壳体均匀的温度分布。因此，电主轴的常用冷却方法是利用水冷降低主轴系统的温升。高速电主轴的冷却系统主要依靠冷却液的循环流动来实现，流动的冷压缩空气也能起到一定的冷却作用。

　　3　高速电主轴功率、刚度的特性

　　图3所示为滚动轴承支承的高速电主轴在不同转速下的功率特性。在这种情况下选用何种润滑方式是重要的，采用少油润滑方式，轴承和转子的热量难以充分散净；采用油雾润滑方式不仅冷却轴承，而且能将转子传给轴承的热量带走。

　　这种系统在各种润滑方式下的转速参数（n×d）分别能达到：脂润滑：1.3×10⁶；少油润滑：（1.8-2）×10⁶；油雾润滑：2.6×10⁶。滚动轴承支承电主轴的Z高转速取决于轴承的大小、布置和润滑方式。现今已开发出的电机主轴的转速范围达10000-180000r/min。为了保持主轴的Z佳动态特性和设计参数，它的功率设置要适应各种切削要求（切削强化纤维混合材料或钢），范围在1-45kW之间。

　　图4所示为滚动轴承支承的高速电主轴的轴向和径向刚度随转速变化的特性曲线。从图上可以看出，主轴的轴向和径向刚度随转速而变化。因此，轴承的初始预加载荷必须根据转速来调整。

　　4　结束语

　　电主轴的优点是没有动力传递机构，因而振动小，噪声低，效率高，容易实现超高速回转，功率.容积比大，因而装置紧凑。这种主轴系统易损件仅为轴承，维修方便[2]。但电主轴的散热问题在高速时很突出，会影响到高速加工时的加工精度的稳定性，但它的造价远比磁力轴承主轴低，所以在高速铣床上还是得到广泛的应用。随着电主轴进一步的改进和开发，必将展示出更广阔的应用前景。
 

来源：《机械制造》2004年2期